[发明专利]一种基于叶酸制备氮掺杂多孔炭材料的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种基于叶酸制备氮掺杂多孔炭材料的方法，属于超级电容器电极炭材料领域。

二、背景技术

超级电容器作为一种新型的储能器件，具有高功率、循环寿命长、充放电速度快、效率高、对环境无污染、使用温度范围宽和安全性高等特点，成为新能源领域的应用热点。而电极材料作为超级电容器最重要的组成部分，它的组成和结构对超级电容器的性能起着至关重要的影响。炭电极材料作为超级电容器用电极材料，是研究最早技术最成熟的电极材料。

目前，多孔炭材料的合成方法是多种多样的，但大部分都需要物理活化或是化学活化，具有高能耗、高污染、高腐蚀等缺点。模板炭化法是最近兴起的一种制备超级电容器用多孔炭材料的方法。该方法是选用纳米孔隙结构的材料作为模板，向其孔隙中注入炭前驱体，并通过高温炭化和去除模板，即可得到具有微观和宏观可控结构的多孔炭材料。

在模板炭化制备多孔炭材料的工艺中，选取适宜的炭前驱体对于产品的结构和性能起到了非常重要的影响。叶酸是黄色或橙黄色结晶性粉末，其结构示意图如下所示，含有较多的碳、氮、氧、氢等元素，通过炭化路线可以制备出氮掺杂的多孔炭材料。

专利CN102976305A通过合成中孔氧化硅球为模板，合成的酚醛树脂作为炭前驱体；制备酚醛树脂/模板复合物；制备炭/模板复合材料。再进一步去除模板，制得中孔炭材料。但是，该类氧化硅模板通常需要氢氟酸等腐蚀性酸进行模板移除，不绿色、环保。

本发明中，采用乙酸锌作为模板，可以在高温下(>950℃)直接挥发去除(金属锌的沸点为908℃)，无需进一步的酸洗等后处理过程，大大优化了氮掺杂多孔炭材料的合成工艺。

三、发明内容

本发明旨在提供一种基于叶酸制备氮掺杂多孔炭材料的方法，是以叶酸为碳源和氮源，乙酸锌为模板剂，通过直接的模板-炭化-氮化路线制备氮掺杂多孔炭材料，本方法操作简便、超电容性能优异、易于规模化工业生产。

本发明基于叶酸制备氮掺杂多孔炭材料的方法，包括如下步骤：

按质量比5:1～1:5的比例称取叶酸和乙酸锌，研磨均匀后移至水平管式炉瓷舟中，通入氩气30min，随后将水平管式炉以5～20℃/min的升温速率加热到950～1400℃，并在氩气气氛中保温2～10h；将所得产物用去离子水洗涤后于120℃真空干燥12小时，即可得到氮掺杂的多孔炭材料。

实验电极的制作：

以乙醇为溶剂，将80质量份的炭材料样品、15质量份的乙炔黑和5质量份的聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂混合均匀得到混合物浆液，随后在20MPa压力下将该混合物浆液压到集流体泡沫镍上，随后在120℃下真空干燥24小时，即得炭材料电极。

电化学性能测试：

在三电极体系中，以铂电极(6cm²)为辅助电极、饱和甘汞电极为参比电极、炭材料电极为工作电极，利用KOH溶液(6mol/L)为电解液。采用电化学工作站进行循环伏安、恒流充放电及交流阻抗等电化学测试。

本发明通过调控叶酸与乙酸锌的质量比、炭化温度、炭化时间和升温速率等因素，可以一步法实现模板-炭化-氮化工艺合成氮掺杂多孔炭材料(无需后续的酸洗等处理工艺)。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明以廉价、易得的叶酸为碳源和氮源，可以直接一步法实现炭材料的炭化与氮化，无需后期的进一步氮化处理。

2、乙酸锌可以在炭化过程中热分解为ZnO，进而被炭材料还原为金属锌，接下来在炭化温度超过金属锌的沸点后(908℃)，可以通过金属气体挥发的方式随着氩气排出管式炉。这类金属氧化物(ZnO)或是金属单质(Zn)等物质在多孔炭材料的形成过程中都充当了良好的模板作用，有利于形成炭材料的多孔结构。

3、本发明采用乙酸锌为模板，无需进一步的酸洗等后处理过程，大大优化了氮掺杂多孔炭材料的合成工艺。

4、本发明所得到的多孔炭材料具有孔结构分布均匀且简单可调、比电容高、循环性能好等特点。在1A/g的电流密度下，充放电比电容可达259.6F/g。循环5000次之后，充放电比电容保持率高达97.4％。

5、本发明反应周期短，易于操作，对反应条件要求不高，可实现超级电容器用多孔炭材料的规模化工业生产。

四、附图说明

图1为实施例1制得的炭材料样品的透射电镜(TEM)照片。从图1中可以看出炭材料呈现非晶多孔结构。